CN102277761B - 一种制备低聚木糖和纸浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备低聚木糖和纸浆的方法，属于制浆和制浆综合利用技术领域。该方法以农作物秸秆为原料，经过预处理得到预提取液，采用膜分离方法将其浓缩，然后通过沉淀、离心分离得到粗木聚糖溶液，再经过酶解、真空浓缩和冷冻干燥制备出低聚木糖。预处理后的固体残渣进行碱法蒸煮，制备出纤维长度、白度、裂断长、撕裂度和耐折度等指标均有改善的未漂纸浆，产生的黑液具有黏度低、发热量高等特点。本发明在优化传统碱法化学制浆工艺的基础上，融合了综合利用及生物质转化的方法，制备出了高附加值产品——低聚木糖，提高了纸浆质量和黑液的提取及蒸发燃烧性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用农作物秸秆制备低聚木糖和纸浆的方法，属于制浆和制浆综合利用技术领域。
背景技术
随着能源短缺、环境污染和气候变化形式的日益严峻，在造纸业中引入生物质转化成为了一种理想选择，这将使制浆造纸工业在纤维原料的综合利用、产品价值以及环境保护等方面提升到一个新的高度。
制浆造纸工业是最早大规模利用可再生纤维资源的工业，拥有大规模收集、处理、加工生物质资源的基础设施和实践经验。我国有丰富的非木材纤维资源，农作物秸秆是造纸工业最常用的非木材纤维原料之一。作为农业副产物，它们生长迅速，产量巨大，作为造纸、饲料或其他方面的应用都没有使其得到充分的利用。农作物秸秆与木材原料在化学成分、结构等方面存在较多的不同，如纤维素与半纤维素的结合、纤维素与木素的结合较为松散，易于蒸煮；所得到的纸浆半纤维素含量高，易于打浆。这些特点使得其制浆工艺与黑液特性等均具有特殊性，尤其表现在黑液硅含量高、黏度大、蒸发过程容易结垢等问题上，造成黑液提取及碱回收系统运行相对困难。
秸秆制浆黑液黏度居高不下除了硅含量高外，大量细小纤维的存在也是重要原因。秸秆原料中半纤维素主要由聚戊糖组成，可作为制备木糖的原料，所以在常规制浆之前进行预处理，既可以提取出大部分半纤维素，用以制备木糖产品，同时还有望得到高质量的纸浆。
中国科学院过程工程研究所公开了“皇竹草分级转化燃料乙醇联产发电、纸浆的工艺方法”(申请号200810100967.1)，涉及到对汽爆后皇竹草进行水洗处理，水洗液为降解后的半纤维素用于制备低聚木糖。另外韩国首尔的李权革公开了“利用竹子生产纤维素纸浆的方法及其纸浆”(申请号200510108294.1)，涉及到通过回收溶解用纸浆制造工艺中所生成的木糖，用以制造木糖醇、调味料、糠醛等。但这些方法均未列出木糖的具体制备方法和纸浆及黑液的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用农作物秸秆制备低聚木糖和纸浆的方法。该方法以农作物秸秆为原料，先进行稀碱预提取处理，对预提取液采用膜分离方法浓缩，然后通过沉淀、离心分离得到粗木聚糖溶液，再经酶解、真空浓缩和冷冻干燥制备出低聚木糖；对预提取后的固体残渣进行碱法蒸煮，再经洗涤、筛选制备出纸浆。
该方法在优化传统秸秆化学制浆工艺的基础上，制备出高附加值产品——低聚木糖，同时得到较高质量的纸浆，黑液性能也有改善。
本发明提出的方法具体包括以下步骤：
1)将秸秆原料切断至长度为3～5cm，取一定量绝干原料加入到反应釜内，加入碱液使用碱量占绝干原料量的0％～10％，补加水使其总液量与绝干原料量的比值为(2.5～10)∶1，旋转反应釜使料液混合均匀，50℃时开始计时，在1h之内升至最高温度110～140℃，保温0.5～2h后预处理完成。分离预提取液和固体残渣。
2)将步骤1)中获得的预提取液用截留分子量为5000～50000的超滤膜浓缩至总固形物浓度10％～20％，然后用乙酸调节pH值为3～7，再加入1～2倍体积的95％乙醇，经过沉淀、离心分离，得到上层清液即粗木聚糖溶液。
3)在步骤2)所得的粗木聚糖溶液中加入木聚糖酶，包括内切β-木聚糖酶、外切β-木聚糖酶和β-木二糖苷酶或其中的任意一种或两种，使酶的浓度为0.5～5g/L，在温度30～50℃、转速0～300r/min的条件下酶解0.5～6h。酶解液经过真空蒸发器浓缩后进行冷冻干燥，即得到低聚木糖晶体。
4)对步骤1)中获得的固体残渣进行蒸煮操作，方法如下：在反应釜内加入一定量固体残渣，加入碱使得用碱量占绝干残渣量的8～12％，补加水使总液量与绝干残渣量的比值为(2.5～10)∶1，旋转反应釜使料液混合均匀，50℃时开始计时，在1h之内使温度升高到140～160℃，保温0.5～2h后蒸煮完成。分离浆料和黑液。
5)将步骤4)中获得的浆料经洗涤、筛选、除渣即得到纸浆。
上述步骤1)中所述的秸秆原料为麦草、稻草或玉米秸秆。
上述步骤1)和4)中所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
本发明提出的农作物秸秆预处理结合常规碱法制浆工艺方法，将原料中的半纤维素、纤维素、木素等主要成分进行了综合开发利用，具有如下优点：
(1)得到了低聚木糖；
(2)纸浆的纤维质量及物理性能指标提高；
(3)黑液黏度降低，黑液固形物浓度和发热量提高。
附图说明
图1为本发明生产制备低聚木糖与纸浆的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
下述实施例中所有方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1：以麦草为原料制备低聚木糖和纸浆
步骤：
1)将麦草切断至3～5cm，在反应釜中加入绝干量为1.2kg的原料，再加入占绝干原料量5％的氢氧化钠，补加水使总液量与绝干物料的比值为5∶1，旋转反应釜使物料混合均匀。从50℃时开始计时，在1h之内使温度升至130℃，在此温度下保温0.5h后预处理完成。分离预提取液和固体残渣。
2)将获得的预提取液用截留分子量为10000的聚醚砜超滤膜浓缩至总固形物浓度10％左右，再利用真空蒸发器将其蒸浓至总固形物浓度40％左右；然后用乙酸调节pH值到6，加入同体积的95％乙醇，经过沉淀、离心分离，得到上层清液即粗木聚糖溶液。
3)在粗木聚糖溶液中加入由内切β-木聚糖酶和β-木二糖苷酶组成的木聚糖酶，使酶的浓度达到4g/L，在温度为30～50℃、转速为200r/min的条件下酶解4h。酶解液经过真空蒸发器浓缩后再进行冷冻干燥，即得到低聚木糖晶体。测定低聚木糖的得率。
4)对固体残渣进行蒸煮操作，条件如下：在反应釜内加入固体残渣，加入氢氧化钠使得用碱量占绝干残渣量的10％，补加水使总液量与绝干残渣量的比值为5∶1，旋转反应釜使料液混合均匀。50℃时开始计时，在1h之内使温度升高到150℃，保温0.5h后蒸煮完成。分离浆料和黑液。
5)浆料经洗涤、筛选、除渣得到纸浆，分析测定纸浆的得率、纤维长度和白度。对纸浆进行打浆，使其打浆度达到42～45°SR，制作60g/m2的手抄片并检测手抄片的抗张强度、撕裂强度和耐折度。将黑液进行总固形物浓度、黏度和发热量等性能分析。
6)将麦草按照常规方法进行碱法制浆，与上述预处理后蒸煮方法得到的纸浆进行对比。工艺条件如下；在反应釜内加入固体残渣，加入氢氧化钠使得用碱量占绝干残渣量的16％，补加水使其总液量与绝干物料的比值为5∶1，旋转反应釜使其混合均匀。50℃时开始计时，在1h之内使温度升到150℃，保温0.5h后蒸煮完成。分离浆料和黑液，对浆料进行处理并对纸浆、黑液进行分析检测。
产品：
1)低聚木糖
得率：4.73％(对绝干原料)。
性状：为白色结晶粉末，易溶于水。
用途：可应用于食品工业、化学工业等领域，或用于进一步生产木糖醇、乙醇等产品。
2)纸浆
得到的纸浆为未漂纸浆，可根据需要进行漂白后生产文化用纸等产品，其性能如表1所示。
表1 纸浆性能
| 蒸煮方式 | 预处理-碱法蒸煮 | 碱法蒸煮 |
| 纸浆得率/％ | 37.81 | 42.10 |
| 纤维长度/mm | 1.039 | 0.963 |
| 白度/％ISO | 36.13 | 29.68 |
| 裂断长/km | 8.31 | 4.61 |
| 撕裂指数/mN·m2·g-1 | 3.77 | 2.83 |
| 耐折度/次 | 646 | 450 |
黑液性能如表2所示。
表2 黑液性能
| 蒸煮方式 | 预处理-碱法蒸煮 | 碱法蒸煮 |
| 总固形物浓度/g·L-1 | 109.75 | 95.40 |
| 黏度/cp(20℃，15°Be′) | 2.85 | 4.73 |
| 高位发热量/MJ·kg-1 | 15.18 | 12.62 |
麦草经预处理后再蒸煮所得的纸浆比常规蒸煮得到的纸浆，其得率有所降低，但纤维长度、白度，手抄片的裂断长、撕裂指数和耐折度等均有不同程度的提高。同时该方法提取的黑液黏度较低，总固形物浓度较高，高位发热量达到15MJ/kg以上，对黑液提取和碱同收系统的蒸发及燃烧操作有利。
Claims (1)
1.一种制备低聚木糖和纸浆的方法，其特征在于：以农作物秸秆为原料，先进行稀碱预提取处理，对预提取液采用膜分离方法浓缩，然后通过沉淀、离心分离得到粗木聚糖溶液，再经酶解、真空浓缩和冷冻干燥制备出低聚木糖；对预提取后的固体残渣进行碱法蒸煮，再经洗涤、筛选制备出纸浆；所述农作物秸秆原料为麦草或稻草；其中预处理或蒸煮过程所用的碱为氢氧化钠或氢氧化钾；稀碱预提取处理工艺条件为：用碱量占绝干原料量的0％～10％，总液量与绝干原料量的比值为(2.5～10)∶1，最高预处理温度为110～140℃，保温时间0.5～2h；预提取后得到粗木聚糖溶液的具体工艺条件为：预提取液先用截留分子量为5000～50000的超滤膜浓缩至总固形物浓度为10％～20％，然后用乙酸调节pH值为3～7，再加入1～2倍体积的95％乙醇，经过沉淀、离心分离，得到粗木聚糖溶液；粗木聚糖溶液得到低聚木糖的具体处理工艺为：在粗木聚糖溶液中加入木聚糖酶，包括内切β-木聚糖酶、外切β-木聚糖酶和β-木二糖苷酶或其中的任意一种或两种，酶解条件为酶的浓度为0.5～5g/L，温度30～50℃，转速0～300r/min，时间0.5～6h，再经过真空浓缩和冷冻干燥得到低聚木糖；对预处理后的固体残渣进行蒸煮的工艺条件为：用碱量占绝干残渣量的8～12％，总液量与绝干残渣量的比值为(2.5～10)∶1，最高温度为140～160℃，保温时间为0.5～2h。
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